中科大“量子鵲橋”登Nature，量子牛郎和織女沒見面就能糾纏了
這是一篇你能看懂的解釋
夢晨 發自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
中科大首次實現多模式量子中繼，并實現兩個固態存儲器的量子糾纏。
看不懂？
沒關系，研究人員將其比喻成“量子鵲橋”：讓“量子牛郎”和“量子織女”在沒見面的情況下就能產生糾纏，這下就很直觀了。
該成果由中國科學技術大學郭光燦院士團隊，李傳鋒、周宗權研究組提出，并登上最新一期Nature。
量子在光纖中傳輸有指數級的損耗，經過50公里的光纖傳輸，信號將衰減至最初的十億億分之一。
后續研究通過轉換光波長等方法，將傳輸距離提高到百公里量級，但這還遠遠不夠。
為了實現長距離傳輸，在全國、甚至全球搭建量子網絡，就需要中繼方案。
中繼的基本思路就是把長程傳輸分解成多段短距離傳輸，核心是每個節點上的量子存儲器。
通過在存儲器之間建立量子糾纏，再利用糾纏交換技術逐步擴大量子糾纏的距離。
此前的方案是糾纏光子由存儲器直接發射出來的發射型存儲器，李傳鋒教授在接受新華社采訪時表示：
之前大家用的是發射型量子存儲器，要么一次只能傳輸1個量子，效率低；要么一次傳輸多個量子，但精確率低。
而本次研究用三年時間完善了吸收型量子存儲器，將存儲和發射分離開來。
△來自中科院量子信息重點實驗室
實現了在一次捕獲并存儲4對糾纏量子的情況下，兩個節點之間的糾纏保真度還實測超過80%。
量子是怎么被存儲的？
李傳鋒、周宗權研究組研究的是基于稀土離子摻雜晶體的固態量子存儲，最早于2012年實現99.9%保真度的存儲。
這種存儲器利用兩塊1.4毫米厚的摻釹釩酸釔晶體，分別處理光的兩種正交偏振態。
△一種優質激光晶體
再把一片特殊設計的半波片置于兩塊晶體之間，來實現這兩種偏振態的互換，整個量子存儲器的結構就像“三明治”。
對于經典的硬盤，每一個存儲單元只能存儲一個比特，而量子具有相干性，一個存儲單元可以一次性存儲大量的量子比特。
在此基礎上，研究團隊在2015年利用光子的空間自由度實現了51維的存儲。又在2018年完成空間、時間和頻率分開的多模式復用存儲。
2020年，通過在稀土摻雜晶體中刻蝕出光波導，研究出可集成的量子存儲，并可根據需求決定讀出的時間。
今年4月，又將光存儲時間從分鐘級推進至小時級。
信號光場(Probe)被梳狀的原子吸收譜吸收，并被控制光場(Control)存儲為自旋激發，在射頻場(RF)的操控下將光存儲時間從分鐘級推進至小時級，存儲保真度達99.9%。
有了以上跨越10年的量子存儲不斷改進，才最終得以實現本次演示的多模式復用，同時存儲4個量子的中繼效果。
本次演示中完整的試驗裝置是這樣的：
在現實中是這樣：
△攝影：中國科大全媒體中心 楊建瑞 馬瀟漢 余梓銘
對于今后的研究方向，李傳鋒教授表示：
下一步，研究組將繼續提高量子存儲器的各項指標，并采用確定性糾纏光源，從而大幅提高糾纏分發的速率，努力實現超越光纖直接傳輸的實用化量子中繼器。
論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03505-3#Fig10
參考鏈接：
[1]http://lqcc.ustc.edu.cn/index/info/1041
[2]http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74849.htm
[3]http://news.ustc.edu.cn/info/1048/34214.htm
[4]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.108.190505
[5]http://news.ustc.edu.cn/info/1032/23085.htm
[6]http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74849.htm
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